2. SMP系统基础：对称多处理架构、CPU拓扑结构、ACPI与设备树描述

对称多处理（SMP）是现代多核处理器系统的核心架构，也是Linux内核启动流程中CPU热插拔与SMP协同的基础。本章深入剖析SMP系统的三大支柱：对称多处理架构、CPU拓扑结构，以及硬件描述标准（ACPI与设备树）。

2.1 对称多处理架构（SMP）

SMP架构的核心特征是所有处理器核心（CPU Core）共享同一物理内存地址空间，并通过共享总线或交叉开关互联。每个核心运行独立的指令流，但访问同一份操作系统内核与应用程序代码。

下图展示了SMP系统的典型架构，其中所有CPU核心通过系统总线连接到共享内存与I/O控制器：

2.2 CPU拓扑结构

CPU拓扑描述了处理器核心之间的层级关系，包括：核心（Core）、线程（Thread/HT）、簇（Cluster）、NUMA节点（Node）等。Linux内核通过cpu_topology结构体管理这些层级，用于调度优化、负载均衡和功耗管理。

下图展示了一个典型的ARM big.LITTLE CPU拓扑结构，包含两个簇（性能簇与效率簇），每个簇包含4个核心：

2.3 ACPI与设备树描述

ACPI（高级配置与电源接口）和设备树（Device Tree）是两种主流的硬件描述标准，用于向操作系统传递CPU拓扑、中断控制器、内存映射等静态信息。Linux内核在启动初期解析这些信息，构建CPU拓扑结构并初始化SMP子系统。

2.3.1 ACPI（x86/ARM64服务器）

ACPI使用表格（Table）描述硬件，关键表格包括：

• MADT（Multiple APIC Description Table）：描述CPU核心、GIC（通用中断控制器）、IO-APIC等中断控制器信息。
• SRAT（System Resource Affinity Table）：描述CPU与内存的NUMA亲和性。
• SLIT（System Locality Information Table）：描述NUMA节点间的访问延迟。
• DSDT（Differentiated System Description Table）：包含AML字节码，描述设备树状结构。

Linux内核通过acpi_parse_madt()函数解析MADT表，提取每个CPU核心的APIC ID，并构建cpu_possible_mask位图：

// 内核源码示例：arch/x86/kernel/acpi/boot.c
static int __init acpi_parse_madt_lapic_entries(void)
{
    int count;
    
    // 解析MADT表中的Local APIC条目
    count = acpi_table_parse_madt(ACPI_MADT_TYPE_LOCAL_APIC,
                                  acpi_parse_lapic, MAX_LOCAL_APIC);
    if (count <= 0) {
        pr_err("No LAPIC entries found\n");
        return -ENODEV;
    }
    
    // 标记所有解析到的CPU为possible
    for_each_present_cpu(cpu)
        set_cpu_possible(cpu, true);
    
    return count;
}

2.3.2 设备树（ARM32/ARM64嵌入式）

设备树使用.dts（Device Tree Source）文件描述硬件，编译为.dtb（Device Tree Blob）传递给内核。关键节点包括：

• cpus节点：包含每个CPU核心的子节点，定义reg（MPIDR）、enable-method（启动方式，如psci、spin-table）。
• psci节点：描述电源状态协调接口，用于CPU热插拔和挂起。
• interrupt-controller节点：描述GIC（通用中断控制器）的基地址和中断路由。

典型的设备树CPU描述片段：

// 设备树片段：cpus节点
cpus {
    #address-cells = <2>;
    #size-cells = <0>;
    
    cpu@0 {
        device_type = "cpu";
        compatible = "arm,cortex-a76";
        reg = <0x0 0x0>;          // MPIDR[1:0] = 0
        enable-method = "psci";    // 使用PSCI唤醒
        next-level-cache = <&l3_cache_0>;
    };
    
    cpu@1 {
        device_type = "cpu";
        compatible = "arm,cortex-a76";
        reg = <0x0 0x100>;        // MPIDR[1:0] = 1
        enable-method = "psci";
        next-level-cache = <&l3_cache_0>;
    };
    
    cpu@100 {
        device_type = "cpu";
        compatible = "arm,cortex-a55";
        reg = <0x0 0x10000>;      // MPIDR[1:0] = 0, 簇=1
        enable-method = "psci";
        next-level-cache = <&l3_cache_1>;
    };
};

下图对比了ACPI与设备树在SMP启动中的角色与流程：

2.4 从硬件描述到内核拓扑

Linux内核在启动初期（start_kernel → setup_arch）解析ACPI或设备树，构建以下关键数据结构：